酵母是一种单细胞真核生物,基于自身诸多优势而成为生物化学、遗传学和细胞生物学的重要研究模型。借助酵母无细胞体系阐明了酶的功能、酶的构成、辅酶特性、tRNA结构和真核转录机制等。酵母作为模式生物在细胞周期、囊泡运输、细胞自噬、端粒保护、蛋白质折叠、未折叠蛋白应答、DNA损伤应答、雷帕霉素靶点和组蛋白调节等重大发现中做出了根本性贡献。许多科学家也因此荣获诺贝尔奖。本文全面介绍酵母在科研中的应用价值。
酵母是一种单细胞真核生物,大部分采取对等分裂,少数通过出芽形式。酵母作为模式生物拥有诸多优势:简单性,比多细胞模式生物简单;复杂性,比细菌又多出细胞核;易观测,单倍体和多倍体共存,突变体表型明显;易操作,可用发酵模式增殖;多样性,同源重组增加基因变异,有利于后续筛选。集众多优点于一身的酵母当仁不让地成为生命科学研究的“宠儿”。
酵母(主要指酿酒酵母)的应用源远流长。
几千年前,人类就已在无意中应用到酵母,如碾碎的葡萄在水中可进行发酵,而直到19世纪才通过实验证明这种效果主要由葡萄表皮携带的酵母完成,人们因此有目的地将具有发酵活性的成分添加到谷物、麦芽等用于造酒、酿醋等。酵母真正进入科学家的视野始于现代科学的兴起阶段。1680年,荷兰科学家列文虎克首次在显微镜下观察到酵母。19世纪,随着大量酵母的制备和应用,对它的研究逐渐成为科研焦点。
酵母生物学的发展迎来黄金时代,科学家借助酵母先后阐明了细胞周期调控、细胞囊泡运输、端粒功能、细胞自噬、蛋白质折叠机制、未折叠蛋白应答、组蛋白调控等众多生命现象,并因此诞生多位诺贝尔奖获得者。1990年,人类基因组计划的实施也推动了酵母基因组研究的步伐。1996年,酿酒酵母的基因组测序完成,这是完成的第一个真核生物基因组;2002年,进一步完成裂殖酵母的基因组测序。
酵母基因组测序的完成进一步推动了酵母生物学的全面发展。
酵母还有其他应用,如:卡路里限制与长寿,组蛋白去甲基化酶Sir2的长寿作用;酵母还成为帕金森综合征等的研究模型;蛋白质相互作用的酵母双杂交体系等。限于篇幅,这里不再拓展。
模式生物是大多数生命科学研究不可或缺的一环,选择一种理想的模式生物往往是成功的开始。
至今,酵母作为模式研究已获近十项诺贝尔奖,而且还有多项成果有望将来登顶,突显了酵母对生命科学发展的重要推动作用。当然,作为单细胞的酵母也有不足之处,它主要用作研究一些基础生命科学问题,如细胞生物学,原因在于酵母本身就是一个细胞,而对多细胞生物的一些复杂问题如学习记忆、器官发生等问题则基本无效。总之,酵母作为一种模式生物发挥了自身巨大的科研价值,随着新技术和新理论的出现,酵母的应用范围会更广泛。